DE1936715B2 - Optische Projektionsvorrichtung - Google Patents
Optische ProjektionsvorrichtungInfo
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Description
bestimmt sind, in welchen: π
von allen Spiegelelementen gebildeten Gruppe, >π
γ
der mittlere Spitzenhalbwinkel jed^s Spiegelelements,
(θΐ-y) der Wert des mittleren Öffnungshalbwinkels des aus dem erstgenannten Querschnitt
(Si") austretenden Strahlenbündels, und >-,
η
ein festgelegter Wert des Verhältnisses
zwischen dem von dem aus diesem Querschnitt (Si") austretenden Strahlenbündel
transportierten Lichtfluß und dem von dem Eintrittsquerschnitt (4) eingefangenen
Lichtfluß ist
6. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt (Si'),
in welchem alle Austrittsflächen (36, 37) der Spiegelelemente (31,32) zusammentreffen, durch die
Gleichungen:
S,
= γ ws" T
L SiIl(H1 + 2;·) J
sin-(H,
-0'
- η
bestimmt ist, in welcher:
S\
die Fläche des Querschnitts, in welchem die
Si die Fläche des Eintrittsquerschnitts (4) der
von den Spiegelelementen gebildeten Spiegelgruppe,
y
der mittlere Spitzenhalbwinkel jedes Spiegelelements.
(θ-y) der Wert des mittleren Öffnungshalbwinkels des aus dem erstgenannten Querschnitt
(St') austretenden Strahlenbündels, und
η ein festgelegter Wert des Verhältnisses
zwischen dem aus diesem Querschnitt (Si")
austretenden Strahlenbündels beförderten Strahlungsfluß und dem von dem Eintrittsquerschnitt (4) eingefangenen Strahlungsfluß ist.
7. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsquerschnitt (5) des pyramidenstumpfförmigen Spiegels
(3) einen mathemalisch ähnlichen Umriß der senkrechten Projektion des Umrisses des zu
bestrahlenden Bereichs auf eine zur Achse des bestrahlenden Strahlenbündels senkrechte Ebene
aufweist
8. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des
pyramidenstumpfförmigen Spiegels (3) im Inneren der Kammer (23, 24, 25, 26) der Lichtquelle (1)
angeordnet ist, und daß der Leuchtkörper der Lichtquelle in dem Eintrittsquerschnitt (4) des
pyramidenstumpfförmigen Spiegels angeordnet ist
9. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der pyramidenstumpfförmige Spiegel (3) in zwei Teile (3a, 3b) geteilt ist,
wobei sich der den kleinen Querschnitt (4) aufweisende Teil (3a) im Inneren der Kammer (2) der
Lichtquelle (1) und der den große': Austrittsquerschnitt aufweisende Teil (3b) außerhalb dieser
Kammer befindet und optisch mit dem ersten Teil (3a) verbunden ist
Die Erfindung bezieht sich auf ?ine optische Projektionsvorrichtung entsprechend dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
Das Problem der Bild- und Kinoprojektion sowie das der gerichteten Bestrahlung besteht darin, daß auf einen
Schirm oder einen Gegenstand der größte Anteil an dem von der Strahlenquelle ausgesandten Strahlungsfluß befördert werden soll, wobei dieser so homogen
wie möglich verteilt sein muß. Bisher wurden hierzu entweder optische Brechungssysteme (torische Linsen
und Kondensoren bei zahlreichen Bild- und Kinoprojektoren oder Fresnel-Linsen bei Leuchtfeuern, Beleuchtungs-projektoren für Theater, Museen oder zur
Beleuchtung von Bauwerken, in Schaufenstern und dergleichen) oder Parabolspiegel verwendet (wie bei
Stablampen und batteriebetriebenen Lampen, Kraftfahrzeugscheinwerfern, Straßenlaternen und dergleichen).
Bei optischen Brechungssystemen ist die erste Bedingung zum Erreichen eines maximalen Resultats,
daß der gesamte von der Lichtquelle ausgesandte Strahlungsfliiß eingefangen wird, was ein optisches
System mit der Öffnung F/0,5 vor der Quelle und ein reflektierendes optisches Sammelsystem mit derselben
öffnung F/0,5 hinter der Quelle voraussetzt. Die
gebräuchlichen optischen Systeme, die vor der Quelle angeordnet werden können, besitzen eine Öffnung, die
kaum F/1 überschreitet und in der Praxis maximal bis F/0,75 gehen kann. Der eingefangene StrahlungsfluB ist
proportional zum Raumwinkel. Bei einer Öffnung von FIX beträgt das Veiiiältnis des eingefangenen Strahlungsflusses zu dem ausgesandten Strahlungsfluß (in
einer Raumhälfte) etwa 1 :7,5. Bei einer Öffnung von
F/0,75 beträgt dieses Verhältnis etwa 1 :<, mit Hilfe eines sphärischen Spiegels, der so hinter der Quelle
angeordnet ist, daß er ein leicht versetztes Bild der Quelle liefert, kann ungefähr derselbe Anteil an
ausgesandtem Strahlungsfluß in der anderen Raumhälfte eingefangen werden. Es können also bei einer
Öffnung von F/1 theoretisch insgesamt 13% und bei einer Öffnung von F/0,75 bis zu 25% des gesamten
19 36 7\5
Strahlungsflusses eingefangen werden. Hierbei sind die Verluste durch verschiedene bei diesen Öffnungen nicht
vernachlässigbare Aberrationen nicht berücksichtigt. Es lassen sich also in der Praxis letztlich mit diesen
Einrichtungen nur IO bis höchstens 15% des Strahlungs- '.
flusses einfangen. Hiermit sind jedoch die maximalen Möglichkeiten keineswegs ausgenutzt.
Bei Parabolspiegeln ist die im Brennpunkt angeordnete Lichtquelle zum Teil von dem Spiegel umgeben.
Auf diese Weise wird ein hoher Anteil an Strahlungsfluß in
aufgefangen. Gleichzeitig bewirkt jedoch die diesen Spiegeln eigene Komaaberration, daß ein Teil des
aufgefangenen Strahlungsflusses in ein unverwendbares divergierendes Bündel verstreut wird. Meistens können
hierbei kaum mehr als 15 oder 20% des von der ii
Strahlungsquelle ausgesandten Strahlungsflusses wirksam
ausgenutzt werden.
Die optischen Brechungssysteme besitzen also einen
arifieimibareir WiikuiigSgiäu, idi'igci~! jedoch wciiig
Strahlungsfluß ein; die Parabolspiegel fangen dagegen .'<> mehr Strahlungsfluß ein, haben jedoch einen geringen
Wirkungsgrad.
Ferner erfordern alle diese optischen Systeme, die umgekehrte Bilder liefern — sowohl die mit Kondensoren
(mit plankonvexen Linsen) verbundenen torischen _>>
Linsen als auch die Parabolspiegel —, die Verwendung von möglichst punktförmigen Quellen. Hierzu sind teure
empfindliche Lampen erforderlich, die eine verhältnismäßig geringe Lebensdauer haben. Derartige Lampen
werden häufig mit Niederspannung gespeist, was κι außerdem die Verwendung von kostspieligen schweren
Transformatoren großer Abmessung erfordert.
Bei einer Projektionsvorrichtung der eingangs genannten Gattung (US-PS 33 18 134) bewirken alle
nicht korrigierten Linsen eine Aberration der Licht- r.
strahlen und verhindern so eine homogene Strahlungsflußverteilung.
In der DE-PS 1199 205 ist eine Vorrichtung zum
Einführen von Licht in ein Glasfaserbündel beschrieben und weist einen ellipsen- oder parabolförmigen Spiegel ji>
auf, der seiner Beschaffenheit nach keinen homogenen Lichtfluß erzeugen kann. Dieser Typ eines ellipsen- bzw.
parabolförmigen Spiegels ist dafür bekannt, daß er einen sehr inhomogenen Leuchtpunkt in der Mitte einer
beleuchteten Fläche herstellt. ■»>
Daher besteht die Aufgabe der Erfindung in der Schaffung einer Projektionsvorrichtung, bei der ein
vorgegebener Strahlungsfluß mit möglichst geringen Verlusten möglichst homogen einen vorgegebenen
Raumwinkel ausleuchten soll, wobei jedoch die >o Bestrahlungsstärke — wenn auch so schwach wie
möglich — vom Zentrum zum Rand monoton abnehmen soll.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der gesamte von der Strahlungsquelle ausgesandte Strahlenfluß
von dem kleinen Querschnitt (im folgenden »Eintrittsquerschnitt« genannt) des kegelstumpfförmigen
oder ringförmigen Spiegels eingefangen. Da ein in bo
dieser Richtung verwendeter kegelstumpfförmiger Spiegel (Einfangen des Strahlungsflusses mit dem
kleinen Querschnitt und Projektion am großen Querschnitt) das einzige optische System ist, das einen
Strahlungsfluß in einer Raumhälfte einfangen und ihn am Ausgang in einem kleineren Raumwinkei projizieren
kann, kann auf diese Weise eine optische Projektionsvorrichtung mit maximalem Wirkungsgrad geschaffen
werden. Es ist also keineswegs mehr erforderlich, eine punktförmige Strahlungsquelle zu verwenden. Lediglich
der Eintrittsquerschnitt des kegelstumpfförmigen Spiegels ist an die Größe der verwendeten Quelle
anzupassen.
Die BE-PS 6 62 861 (FR-PS 1543 165) betrifft eine optische Konzentrationsvorrichtung, die sich auf die
Konzentration eines von einem Austrittsquerschnitt zu einem Eintrittsquerschnitt verlaufenden Lichtflusses
beschränkt, während die Erfindung auf das Projizieren eines Lichtflusses von einem Eintritts- zu einem
Austrittsquerschnitt beschränkt ist. Beide Vorgänge sind also nicht symmetrisch, da beim Konzentrieren das
zu bewältigende Hauptproblem darin besteht, optimale Bedingungen dahingehend festzusetzen, daß jeder in
den Kegel eintretende Strahl nach Zurücklegung einer gewissen Strecke zurückkehrt und folglich einen
bestimmten Querschnitt des Kegels nicht durchläuft.
. i-"fi nc ι c .
weil der gesamte Lichtfluß dahin gelangt. Dagegen kann im Fall der Projektion kein Strahl umkehren, und kein
besonderer Querschnitt des Spiegels wäre in der Lage, eine der in der entgegengehaltenen FR-PS beschriebenen
und definierten Rolle ähnliche Rolle zu spielen. Das mit dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung
gelöste Problem hat nichts mit den im entgegengehaltenen französischen Patent gemachten Überlegungen zu
tun, näm'iih ein aus einem Projektor in vorbestimmtem
Winkel austretendes Bündel zu erzielen, aas so homogen wie möglich ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung von mehreren Ausführungsbeispielen, wobei auf die
Zeichnung Bezug genommen wird, näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung im Schnitt.
F i g. 2 und 3 zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung, bei denen das reflektierende
Sammelsystem (im folgenden »Reflektorsystem« genannt) aus einem Planspiegel bzw. einem mit
einem Abschnitt des kegelstumpfförmigen Spiegels gekoppelten Planspiegel bestehen,
F i g. 4 ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem das Reflektorsystem
aus einem halbkugelförmigen Spiegel besteht,
F i g. 5 und 6 zwei weitere Ausführune^formen der
erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei weichen das Reflektorsystem aus zwei Hohlspiegeln besteht, von
denen der eine sphärisch oder elliptisch und der an. .ere
sphärisch gewölbt ist,
F i g. 7 eine schematische perspektivische Darstellung einer anderen Ausführungsform mit länglicher Lichtquelle,
Fig.8 bis 10 verschiedene Ausführungsformen der
erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei denen zumindest ein Teil der Lichtquellenkammer das Reflektorsystem
bildet,
Fig. 11 und 12 zwei Ausführungsformen mehrerer
parallel arbeitender kegelstumpfförmiger Spiegelelemente,
Fig. 13 eine schematische Darstellung eines kegelstumpfförmigen
Spiegels zur Erläuterung der optimalen Bestimmung seiner Abmessungen,
F i g. 14 die Darstellung eines Regeistumpfförmigen Spiegels mit einem in der Mitte mit einer Öffnung
versehenen frontalen Planspiegel,
Fig. 15 einen schematischen Schnitt durch zwei aneinandergesetzte kegelstumpfförmige Spiegelelemente zur Erläuterung der optimalen Bestimmung der
Abmessungen der Austrittsquerschnitte und
Fig. 16 eine perspektivische Darstellung einer , Ausführungsform, bei welcher vier kegelstumpfförmige
Spiegelr.iemente vorgesehen sind.
Bei der auf Fig. 1 dargestellten Projektionsvorrichtung ist eine Lichtquelle 1, beispielsweise eine
Glühlampe, vorgesehen, die sich in einem Reflektorsy- m
stern 2 beliebiger Form befindet, welches zusammen mit dem kegelstumpfförmigen Spiegel 3 die Lichtquelle 1 in
einem Raumwinkel von 4π Sterad. optisch umgibt. Der
Eintrittsquerschnitt 4 des kegelstumpfförmigen Spiegels 3, dessen Fläche mindestens gleich der gesamten r,
Ausstrahlungsfläche der Quelle 1 ist, fällt in dem vorliegenden Beispiel mit einer in dem Reflektorsystem
2 vorgesehenen öffnung zusammen. Bei einer derartigen Projektionsvorrichtung wird der gesamte
von der Lichtquelle 1 ausgesandte Lichtfluß entweder .·ι> direkt oder nach einer gewissen Anzahl von Reflexionen
von dem Eintrittsquerschnitt 4 des kegelstumpfförmigen Spiegels aufgefangen und durch innere Reflexionen
zu dem Austrittsquerschnitt des Spiegels befördert, in dem der LichtfluB die Form eines Strahlenbündels mit r>
einem mittleren öffnungswinkel θι besitzt. Der kegelstumpfförmige
Spiegel 3 kann hohl oder voll sein und aus einem lichtbrechenden Material, wie Glas, bestehen.
Bei einer besonderen Ausführungsform ist die Lichtqrelle 1 im wesentlichen in der Ebene des m
Eintrittsquerschnitts des kegelstumpfförmigen Spiegels 3 angeordnet (vgl. F i g. 2 und 4).
Bei den auf Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen besteht das Reflektorsystem aus mindestens
einem an dem Eintrittsquerschnitt 4 des kegelstumpfför- r. migen Spiegels 3 angebrachten Planspiegel 6. Bei der
auf F i g. 2 dargestellten Ausführungsform befindet sich dieser Planspiegel 6 in unmittelbarer Nähe des Eintrittsquerschnitts 4 und ist direkt an diesem befestigt. Bei der
auf Fig.3 dargestellten Ausführungsform wird der Planspiegel 6 mittels eines den kegelstumpfförmigen
Spiegel 3 geometrisch verlängernden kegelstumpfförmigen Spiegels 7 angebracht.
In allen Fällen, in denen die Lichtquelle verhältnismäßig
umfangreich ist, ist es zweckmäßig, ein Reflektorsy- 4■;
stern zu verwenden, das aus mindestens zwei V-förmig gegen die Lichtquelle geneigten Planspiegeln besteht.
Ein Teil der von der Lichtquelle ausgesandten Strahlen, die bei einem einfachen Planspiegel auf die Lichtquelle
zu reflektiert und somit von ihr absorbiert würden, in
werden auf diese Weise durch die V-förmig angeordneten Spiegel von der Lichtquelle abgelenkt und können
zur Projektion benutzt werden.
Ein noch besseres Ergebnis kann erreicht werden,
wenn als Reflektorsystem ein Spiegel verwendet wird, von dem mindestens ein Meridianschnitt die Form einer
Evolvente der von dem entsprechenden Meridianquerschnitt der Lichtquelle gebildeten Kurve besitzt
Bei dem auf F i g. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Spiegel des Reflektorsystems konkav und besitzt to
die Form einer Halbkugel 8, deren geometrischer Mittelpunkt im wesentlichen im Mittelpunkt des
Eintrittsquerschnitts 4 des kegelstumpfförmigen Spiegels 3 liegt Der Spiegele kann auch zylindrisch
ausgebildet sein und einen halbkreisförmigen Meridianquerschnitt aufweisen. Dieser zylindrische Spiegel ist an
seinen beiden Enden durch Spiegel, beispielsweise durch senkrecht zur Achse angeordnete Planspiegel, geschlossen. Diese Anordnung ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die Lichtquelle selbst längliche Form besitzt,
wobei die Achse des Zylinders im wesentlichen mit der Lichtquelle zusammenfällt.
Um zu vermeiden, daß die Lichtstrahlen nach Reflexion in dem Reflektorsystem von der Lichtquelle
wieder absorbiert werden, ist es erforderlich, den Mittelpunkt des kreisförmigen Querschnitts des Spiegels 8 bezüglich der Lichtquelle zu versetzen, so daß das
von dem Spiegel erzeugte Bild der Lichtquelle nicht mit dieser zusammenfällt.
Ferner ist es nicht unbedingt erforderlich, daß das Reflektorsystem zusammen mit dem kegelstumpfförmigen
Spiegel die Lichtquelle körperlich in einem Raumwinkel von Απ Sterad. umgibt, sondern kann diese
auch nur optisch umgeben, d. h. so, daß jeder von der Lichtquelle in einem Raumwinkel von 4 π Sterad.
ausgesandte Strahl entweder auf den Sammelspiegel oder auf den Eintrittsquerschnitt des kegelstumpfförmigen
Spiegels trifft. Zur Veniilierung und Kühlung der Lichtquelle kann es zweckmäßig sein, zwischen dem
Außenumfang des Sammelspiegels 8 und dem Eintrittsquerschnitt 4 des kegelstumpfförmigen Spiegels 3 einen
freien Raum 9 (vgl. F i g. 4) vorzusehen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung (Fig. 5) besteht das Reflektorsystem 2 aus zwei
sphärisch gekrümmten Spiegeln It und 12 mit einander
entgegengesetzt angeordneten Scheiteln, deren optische Achse mit der des kegelstumpfförmigen Spiegels 3
zusammenfällt. Der geometrische Mittelpunkt des einen (11) Hohlspiegels liegt hierbei in der Mitte zwischen der
Lichtquelle 1 und dem Eintrittsquerschnitt 4 des kegelstumpfförmigen Spiegels 3, der des anderen
Spiegels 12 in der Mittelebene der Lichtquelle 1. Der Spiegel 12 besitzt eine Aussparung 14, durch welche der
kegelstumpfförmige Spiegel 3 hindurchtritt.
Bei der auf F i g. 6 dargestellten Ausführungsform besteht das Reflektorsystem aus zwei Hohlspiegeln mit
einander entgegengesetzt angeordneten Scheiteln, deren Achsen mit der des kegelstumpfförmigen
Spiegels 3 zusammenfallen. Einer dieser Spiegel (15) ist elliptisch. Sein innerer Brennpunkt F\ liegt in der
Mittelebene der L:chtquelle und sein anderer Brennpunkt
F2 im Mittelpunkt des Eintrittsquerschnitts 4 des
kcgcistumpfförmigcn Spiegeis 3. Der andere Spiegel 16
ist sphärisch gekrümmt: sein geometrischer Mittelpunkt liegt in der Mittelebene der Lichtquelle. Er besitzt eine
Aussparung 17, welche den Eintrittsquerschnitt 4 des kegelstumpfförmigen Spiegels umgibt.
Wenn die Lichtquelle längliche Form hat, werden an Stelle der sphärischen oder elliptischen Sammelspiegel
auch hier zweckmäBigerweise zylindrische Spiegel mit kreisförmigem oder elliptischem Querschnitt verwendet, deren Achse im wesentlichen mit der Lichtquelle
zusammenfällt
Ferner kann auch ein sphärischer Spiegel 16 vorgesehen sein, dessen Rand nicht an den des
elliptischen Spiegels 15 anstößt sondern in derselben Ebene wie der Rand des elliptischen Spiegels 15, jedoch
außerhalb von diesem liegt Hierbei ist die Aussparung 17 des sphärischen Spiegels 16 auf den Austrittsquerschnitt des kegelstumpfförmigen Spiegels 3 zurück
versetzt so daß der Eintrittsquerschnitt 4 durch den sphärischen Spiegel 16 hindurchtritt Der geometrische
Mittelpunkt dieses sphärischen Spiegels 16 befindet sich hierbei ebenfalls in der Mittelebene der Lichtquelle 1
und der Brennpunkt F2 des elliptischen Spiegels 15
befindet sich im Mittelpunkt des Eintrittsquerschnitts 4
des kegelstumpfförmigen Spiegels 3. Auf diese Weiiie
kann die erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung auf einfache und wirksamere Weise gekühlt werden.
F i g. 7 zeigt ein Anwendungsbeispiel der erfindung:sgemäßen
Projektionsvorrichtung beispielsweise für Kraftfahrzeugscheinwerfer zur Beleuchtung mittels
gerichteter LichtLahnen. Hierbei ist die Lichtquelle 1
zylindrisch und besteht beispielsweise aus dem in einer länglichen Spirale angeordneten Wolframfaden einer
Halogendampflampe. Das Reflektorsystem besteht aus zwei zylindrischen Spiegeln 18 und 19, deren Meridianquerschnitte
in Form und Anordnung den auf Fig. 5 dargestellten Querschnitten entsprechen. Der Spiegel 3
besitzt hierbei die Form eines Prismas, dessen das BiJd der Lichtquelle einfangender Eintrittsquerschnitt 4
rechteckig ist und durch den Spiegel 19 hindurchtriit. Die Seitenflächen der zylindrischen Spiegel 18 und 19
sind durch Plansniegel 20 abgeschlossen. Der Austrittüquerschnitt
5 des prismenförmigen Spiegels 3 besitxt ebenfalls die Form eines länglichen Rechtecks. Diis
Strahlenbündel, das an dem Austrittsquerschnitt 5, der hierbei die Rolle eines Spaltes spielt, ausgeworfen wird,
verläßt in Form einer gerichteten Strahlenbahn, die die Strahlen in einer leicht nach unten geneigten Ebene
beleuchtet. Dadurch, daß die Strahlen gerichtet sind, wird jegliches Blenden der Fahrer entgegenkommender
Fahrzeuge vermieden. Der Austrittsquerschnitt 5 des prismenförmigen Spiegels kann zusätzlich mit einem
leicht lichtbrechenden optischen Organ 21 versehen sein, durch welches die öffnung des Strahlenbündels
verringert wird.
Das Reflektorsystem 2 kann direkt die Kammer der Lichtquelle 1 bilden; zu diesem Zweck ist diese Kammer
zumindest teilweise mit einem reflektierenden Belag versehen und besitzt in dem dem kegelstumpfförmigen
Spiegel 3 gegenüberliegenden Bereich einen transparenten Teil 22(Fi g. 8 bis 10).
Bei der auf Fig.8 dargestellten Ausführungsforrn
besteht die Kammer der Lichtquelle 1, beispielsweise ein Glühfaden, aus einem Glasgehäuse, das von einem
elliptischen Spiegel 23 und einem sphärischen Spiegel 24 gebildet wird, deren Scheitei einander entgegengesetzt
angeordnet sind und deren optische Achse mit der des kegelstumpfförmigen Spiegels zusammenfällt. Der innere
Brennpunkt Fi des hinten Hegenden elliptischen
Spiegels 23 liegt in der Miitelebene der Lichtquelle !
und der zweite Brennpunkt F2 liegt in der Ebene des am
Scheitel des vorderen sphärischen Spiegels 24 vorgesehenen durchsichtigen Teils oder Fensters 22. der
geometrische Mittelpunkt des Spiegels 24 liegt in der Mittelebene der Quelle 1. d. h. in dem Brennpunkt Fi.
und auf der optischen Achse des kegelstumpfförmigen Spiegels (nicht dargestellt). Der durchsichtige Teil 22
besitzt dieselbe Fläche wie der mit diesem Teil in Kontakt befindliche Eintrittsquerschnitt des kegelstumpfförmigen
Spiegels.
Bei den auf den Fig.9 und 10 dargestellten
Ausführungsbeispielen ist der kegelstumpfförmige Spiegel 3 in zwei Teile 3a und 3b geteilt, wobei sich der den
Eintrittsquerschnitt 4 aufweisende Teil im Inneren der Kammer der Lichtquelle 1 befindet und der den
Austrittsquerschnitt aufweisende Teil außerhalb dieser Kammer liegt und mit dem ersten Teil 3a optisch
verbunden ist Die Kammer der Lichtquelle 1 besteht aus einem einzigen, hinter der Lichtquelle angeordneten
halbkugelförmigen Spiegel 25, dessen geometrischer Mittelpunkt im wesentlichen mit dem Mittelpunkt des
Eintrittsquerschnitts 4 des kegelstumpfförmigen Spiegels und mit der Lichtquelle zusammenfällt, wobei das
von dem Spiegel erzeugte Bild der Lichtquelle bezüglich des Leuchtkörper^ dieser Lichtquelle leicht versetzt ist.
Bei diesen Ausführungsformen bleibt der vordere Teil 26 des Gehäuses durchsichtig, da er keine optische
Aufgabe zu erfüllen hat.
Bei der auf F i g. 9 dargestellten Ausführungsforrn ist im vorderen Teil 26 des Gehäuses eine Ausbauchung 27
mit einem Fenster 22 vorgesehen, die zur Aufnahme des vorderen Endes des hinteren Teils 3a des kegelstumpfförmigen
Spiegels 3 dient. Ferner dient diese Ausbauchung als Halter zum Aufsetzen des hinteren Endes des
vorderen Teils 36des kegelstumpfförmigen Spiegels 3.
Eine abgewandelte Ausführungsform (nicht dargestellt) besteht darin, daß die Ausbauchung 27 nach vorne
verlängert ist und seitlich mit einem reflektierenden Belag versehen ist, so daß sie den gesamten vorderen
Teil 36des keRelstumpfförmigen Spiegels 3 bildet.
Bei der auf F i g. 10 dargestellten Ausführungsform ist
im vorderen Teil 26 des Gehäuses eine Einbuchtung 28 vorgesehen, die in das vordere Ende des hinteren Teils
2a des kegelstumpfförmigen Spiegels 3 eingreift. In diese Einbuchtung ist von außen das hintere Ende des
vorderen Teils 36des Spiegels 3 eingesetzt.
Der kegelstumpfförmige, konische oder prismenförmige
Spiegel 3 kann ferner auch aus einem Bündel parallel arbeitender Spiegelelemente 3' derselben Form
gebildet sein (vgl. F i g. 11 und 12). Diese Spiegelelemente
3' bestehen vorzugsweise aus mit ihren Seitenflächen aneinanderliegenden Pyramiden, deren Grundfläche ein
gleichseitiges Dreieck, ein Quadrat, oder ein Sechseck ist. Diese Spiegelelemente 3' können auch aus konischen
optischen Fasern bestehen. Durch diese Parallelanordnung der Spiegelelemente 3' kann die Gesamtlänge des
vollständigen kegelstumpfförmigen Spiegels 3 beträchtlich verringert werden, und zwar verringert sich die
Länge jedes Spiegelelemcnts im Verhältnis der Quadratwurzel aus der Anzahl dieser Spiegelelemente.
In allen Fällen, in denen der zu beleuchtende Bereich
einen genau bestimmten Umriß besitzt, beispielsweise den Umriß eines in einen Projektionsapparat etiigesetzlen
Diapositivs mit gegebenem Format, ist es zweckmäßig, dem großen Austrittsquerschnitt 5 des kegelstumpfförmigen
Spiegels einen mathematisch ähnlichen Umriß der senkrechten Projektion des Umrisses des zu
beleuchtenden Bereichs auf eine zur Achse des beleuchtenden Bündels senkrechte Ebene zu geben. Auf
diese Weise wird der gesamte austretende Lichtfuß wirksam ausgenutzt, da er voNsiändig auf den zu
beleuchtenden Bereich zu geführt wird.
Um mit der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung optimale Ergebnisse zu erzielen, ist es zweckmäßig,
den kegelstumpfförmigen Spiegel 3 mit Hilfe der folgenden Konstruktionsformeln zu bestimmen, welche
im folgenden für verschiedene allgemeine Anwendungszwecke angegeben werden.
In einem zweiten Fall (F i g. 13) soll der Strahlungsfluß
vollständig in den zu beleuchtenden Bereich befördert werden. Es muß deshalb zusätzlich zu dem mittleren
Strahlungsflußteil mit Lambert'scher Verteilung ein zusätzlicher Randfluß bis zu einem Öffnungshalbwinkel
θι' (ΘΓ > θι) zugelassen werden, dessen Verteilung
nicht mehr homogen sein kann. Der Unterschied zwischen der zentralen Beleuchtung und der Randbeleuchtung
kann verringert werden, wenn man einen vorbestimmten Wert r des diesen Unterschied charakterisierenden
Faktors der Bestrahlungshomogenität festlegt, sofern die Abmessungen des kegelstumpfförmi-
gen Spiegels 3 mit Hilfe folgender Gleichungen bestimmt werden:
cos
SiM(W1'
iß:·
sin- π
In diesen Formeln ist:
.S'i und S) die Fläche des Austritts- bzw. des Kintrittsquerscbnitts
des Spiegels,
γ der mittlere Spitzenhalbwinkel des Spiegels,
θι' der mittlere Öffnungshalbwinkel des aus dem
Austrittsquerschnitt des Spiegels austretenden und den gesamten von dem Eintrittsquerschnitt
des Spiegels angefangenen Mrahlungsfluß
befördernden Lichtstrahls: und
r ein festgelegter Wert des Koeffizienten der
Beleuchtungshomogenität, der das Verhältnis zwischen der Mindestbestrahlungsstärke und
der Höchstbestrahlungsstärke kennzeichnet, die von dem Lichtstrahl des Spiegels erzeugt
werden.
Ähnlich wie im vorliegenden Fall geht man von den bekannten Werten Sj. θι' und r aus und bestimmt S, und
In der Praxis kann es vorkommen, daß der für die Fläche Si des Austrittsquerschnitts 5 des kegelstumpfförmigen
Spiegels gefundene Wert aus anderen Gründen zu groß ist. Dies kann beispielsweise bei einem
Projektionsapparat für Diapositive der Fall sein, bei dem das Format des Austrittsquerschnitts 5 durch das
Format des Diapositivs beschränkt wird, so daß der durch die Formeln bestimmte Querschnitt Si zu groß
sein kann.
Erfindungsgemäß kann diese Schwierigkeit umgangen werden, indem an den Austrittsquerschnitt 5. der die
an Hand der oben stehenden Formeln bestimmte Fläche St besitzt, ein Planspiegel 29 angelegt wird, dessen
reflektierende Seite auf das Innere des kegelstumpfförmigen Spiegels 3 zugewandt ist. In dem mittleren Teil
dieses Planspiegels 29 ist ein Fenster 30 ausgeschnitten, dessen Abmessungen der obenerwähnten erforderlichen
Größenbeschränkung entsprechen. Auf diese vVcise wifu ein i tu ucs 3ϋϋ£ΤΠΗιυ u65 rensiers 5π üern
Austrittsquerschnitt 5 ankommenden Strahiungsflusses ausgenutzt, d. h. durchquert schließlich nach einer
gewissen Anzahl innerer Reflexionen das Fenster 30, so daß die mittlere Bestrahlungsstärke in der Fläche des
Fensters größer als die mittlere Bestrahlungsstärke im Austrittsquerschnitt ohne Fenster ist
Ferner kann der mit einem Fenster versehene Planspiegel auch zur Verringerung des Öffnungshalbwinkels
des austretenden Strahls ohne Erhöhung der Länge des kegelstumpfförmigen Spiegels benutzt
werden, was insbesondere bei einem Beleuchtungsscheinwerfer interessant sein kann. Auf diese Weise
nämlich nimmt das Verhältnis S\ : Sj oder Si t Sj zu und
verringern sich die Winkel θι oder θι'.
Wenn mehrere kegelstumpfförmige, pyramidenförmige oder prismenförmige, mit ihren Seitenflächen
aneinanderliegende Spiegelelemente verwendet werden, die parallel arbeiten (Fig. 15), sind ihre optischen
Achsen gegen die optische Hauptachse geneigt, so daß der Gesamtöffnungshalbwinkel des aus der Gruppe
dieser Spiegelelemente austretenden Gesamtstrahls zunimmt. Dieser Nachteil kann erfindungsgemäß auf
folgende Weise vermieden werden:
Auf F i g. 15 ist ein senkrechter Meridianschritt durch
zwei pyramidenförmige Spiegelelemente 31, 32 dargestellt, deren optische Achsen 33 und 34 gegen die
optische Hauptachse 35 um ihren Spitzenhalbwinkel γ geneigt sind.
Erfindungsgemäß sind die Austrittsflächen 36 und 37 der Spiegelelemente 31 und 32 des Gesamtaustrittsquerschnitts
5 auf den Gesamteintrittsquerschnitt 4 zu geneigt und schneiden sich in der optischen Achse 35 in
eiiier Geraden 38 (bei Verwendung von mehr als zwei Spiegelelementen, beispielsweise vier Spiegelelementen,
schneiden sich die Austrittsflächen der Spiegelelemente in einem Punkt).
Die Lage der Geraden oder des Punktes 38, in der bzw. dem sich die Austrittsiiächen schneiden, auf der
optischen Hauptachse 35 wird durch die unten angegebenen Abmessungsformeln bestimmt.
Alle Austrittsflächen der Spiegelelemente stoßen also auf der optischen Hauptachse im Inneren des von der
Gruppe der Spiegelelemente gebildeten Spiegels zusammen; die Randbereiche dieser Austrittsflächen
schließen an die entsprechenden Seitenflächen gleichartiger Spiegelelemente in einem Querschnitt an, der
größer als der Querschnitt ist, an dem alle Austrittsflächen zusammentreffen.
Auf diese Weise kann ein von. einem Punkt auf der durch den Punkt 38 gelegten senkrechten Ebene
ausgehender Strahl 39, der gegen die optische Achse 33 des kegelstumpfförmigen Spiegelelements 31 um den
Winkel θ nach unten und somit gegen die optische Hauptachse 35 um den Winkel (θ — γ) geneigt ist, ohne
Nachteil unbehindert aus dem kegelstumpfförmigen Spiegel austreten, da sich die Neigung der Achse 33
gegen die Hauptachse 35 hierbei positiv auswirkt.
Dagegen ist ein von demselben Punkt wie der Strahl 39 ausgehender und um den Winkel θ gegen die
optische Achse 33 nach oben geneigter Strahl 40 gegen die optische Hauptachse 35 um einen Winkel (θ + γ)
geneigt. Es ist deshalb zweckmäßig, den StraM 40 zusätzlich in dem Spiegelelement 31 reflektieren zu
lassen, so daß et um einen Winkel von 2 γ abgelenkt wird und seine Neigung gegen die optische Hauptachse
35 am Austritt somit (θ — γ) beträgt.
In einem Fall, bei dem die bereits in Verbindung mit F i g. 13 erwähnte Beibehsltiing des gesamten ei.-igciar;
genen Strahiungsflusses erreicht werden soll, wird der Querschnitt, an dem alle Austrittsflächen der Spiegelelemente
zusammenstoßen, mit Hilfe folgender Formein bestimmt:
•Vt \ Sill H1 J
In diesen Formeln ist:
f' und Si die Fläche des Querschnitts, an dem sich die
Austrittsflächen treffen, bzw. die Fläche des Eintrittsquerschnitts der von allen Spiegelelementen
gebildeten Spiegelgruppe,
γ der mittlere Spitzenhalbwinkel jedes Spiegelelements,
(θι' + γ) der Wert des mittleren Öffnungshalbwinkels
des Strahlenbündels, das an dem erstgenannten Querschnitt austritt, ί
τ ein festgelegter Wert des Homogenitätskoeffizienten, der das Verhältnis zwischen der
Mindestbestrahlungsstärke und der Höchstbestrahlungsstärke kennzeichnet, die von dem
aus diesem Querschnitt austretenden Strah- in lenbündel erzeugt werden.
In demselben Fall kann es zweckmäßig sein, den
Querschnitt, in welchem die Randbereiche der Austrittsflächen an die entsprechenden Seitenflächen der η
Spiegelelei.iente anstoßen, mit Hilfe folgender Formeln
zu berechnen:
,ι" Γ cos;· ~f
"Sj ~" L sin {«; - 2;·) J
"Sj ~" L sin {«; - 2;·) J
20
siir (M1' - ;■)
In diesen Formeln ist:
«" und Si die Fläche des Querschnitts, in welchem die jo
Randbereiche der Austrittsflächen an die entsprechenden Seitenflächen der Spiegelelemente
anstoßen, bzw. die Fläche des
Eintrittsquerschnitts der von allen Spiegelelementen
gebildeten Spiegelgruppe,
γ der mittlere Spitzenhalbwinkel jedes Spiegelelements,
(θι' — γ) der Wert des mittleren Öffnungshalbwinkels
des aus dem erstgenannten Querschnitt austretenden Strahlenbündels,
τ' ein festgelegter Wert des Hoinogenitätsfak-
tors, der das Verhältnis zwischen der Mindestbestrahlungsstärke und der Höchstbestrahlungsstärke
kennzeichnet, die von den aus diesem Querschnitt austretenden Strahlenbündeln
erzeugt werden.
Fig. 16 zeigt eine optische Projektionsvorrichtung, die beispielsweise zur gerichteten Beleuchtung dient
Bei dieser Vorrichtung ist vor dem Reflektorsystem 41 ein in diesem Fall pyramidenförmig ausgebildeter Spiegel
42 vorgesehen, in welchem Planspiegel 43, 44, 45 und 46 kreuzförmig angeordnet sind, die mit den Innenflächen
des pyramidenförmigen Spiegels 42 vier Spiegelelemente bilden. Die Stirnkanten 43', 44', 45' und 46'
dieser Planspiegel sind aufs Innere des pyramidenförmigen Spiegels zu geneigt und treffen sich in einem Punkt,
der auf eine der oben angegebenen Weisen bestimmt wird.
Das Reflektorsystem kann zweckmäßigerweise aus dem Gehäuse einer Spezhillampe bestehen, dessen
Leuchtkörper 47 längliche Form aufweist und bezüglich der optischen Hauptachse versetzt ist, wodurch in Verbindung
mit einer geeigneten Ausbildung des dahinter Hegenden Sammelspiegels eine Absorption der Strahlen
durch den Leuchtkörper verhindert wird.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Optische Projektionsvorrichtung, bestehend aus
einer Lichtquelle und einem Reflektorsystem, mit einem kegelstumpfförmigen, kegelförmigen oder
prismenfönnigen Spiegel, dessen Eintrittsquerschnitt zusammen mit dem Reflektorsystem die
Lichtquelle in einem Raumwinkel von 4π Steiad.
umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des kegel- oder pyramidenstumpflörmigen oder prismenförmigen Spiegels (3) durch die
Gleichungen:
elemente (31, 32) zusammenstoßen, durch die Formel:
S1
cos ;■ Ί2
bestimmt sind, in welchen:
Si die Fläche des Austrittsquerschnitts,
S3 die Fläche des Eintrittsquerschnitts des Spiegels
wobei S3 vorgegeben ist und die Strahlungsquelle vollständig auf den Eintrittsquerschnitt abgebildet wird, ier dementsprechende Abmessungen hat,
γ der mittlere Spitzenhalbwinkel des Spiegels,
θι' der mittlere öffnungshaibwirv'-ei des aus dem
Austrittsquerschnitt des Spiegels austretenden und den gesamten von dem Eintrittsquerschniu
des Spiegels eingefangenen Lichtfluß befördernden Strahlenbündels, und
τ ein festgelegter Wert des Koeffizienten ,Ier
Bestrahlungshomogenität ist, welcher
K min
E max
minimale Bestrahlungsstärke
maximale Bestrahlungsstärke
2. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pyramidenstumipfförmige, Spiegel aus einem Bündel parallel arbeitender Spiegelelemente (3', 31, 32) derselben Form
besteht und daß die Austrittsflächen (36, 37) der pyramidenstumpfförmigen Spiegelelemente (31, \2)
gegen die optische Hauptachse (35) so geneigt sind, daß alle Austrittsflächen der Spiegelelemente uuf
der optischen Hauptachse im Inneren des von diesen Spiegelelementen gebildeten Spiegels zusammenstoßen, und daß die Randbereiche dieser Austritsflächen an die entsprechenden Seitenflächen gleichartiger Spiegelelemente in einem Querschnitt (ti")
zusammentreffen, dessen Durchmesser größer als der des Querschnitts (6') ist, in welchem »ille
Austrittsflächen zusammenstoßen.
3. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt (6'), an
welchem alle Austrittsflächen (36, 37) der Spieyel-
ST ~~ L sin«,'J
0-
bestimmt sind in welchen
β' die Fläche dieses Querschnitts,
j S3 die Fläche des Eintrittsquerschnitts (4) der
von allen Spiegelelementen gebildeten Spiegelgruppe,
γ
der mittlere Spitzenhalbwinkel der Spie
gelelemente,
(Ö'i + y) der Wert des mittleren öffnungshaibwinkels des aus diesem Querschnitt (6')
austretenden Strahlenbündels, und
τ
ein festgelegter Wert des Homogenitätskoeffizienten ist, welcher das Verhältnis
)-, zwischen der von dem aus diesem
Querschnitt (6') austretenden Strahlenbündel erzeugten Mindestbeleuchtungsstärke und Höchstbeleuchtungsstärke
kennzeichnet
4. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt (6") in
weichem die Randbereiche der Austrittsflächen (36, 37) an die entsprechenden Seitenflächen der
)-, Spiegelelemente (31, 32) anschließen, durch die Gleichungen:
6" _ Γ cos;· T
S, - L sin(«i - 2;) J
S, - L sin(«i - 2;) J
bestimmt sind, in welchen:
6" die Fläche dieses Querschnitts,
S3 die Fläche des Eintrittsquerschnitts (4) der
von allen Spiegelelementen gebildeten Spiegelgruppe,
γ
der mittlere Spitzenhalbwinkel der Spie
gelelemente,
(θι' — γ) der Wert des mittleren Öffnungshalbwinkels des aus diesem Querschnitt (6")
austretenden Strahlenbündels, und
τ
ein festgelegter Wert des Homogenitäts
koeffizienten ist, der das Verhältnis zwischen der von dem aus diesem
Querschnitt (6") austretenden Strahlenbündels erzeugten Mindestbeleuchtungsstärke und Höchstbeleuchtungsstärke
kennzeichnet.
5. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt (S\"),
in welchem die Randbereiche der Austrittsflächen
(36, 37) an die entsprechenden Seitenflächen der Spiegelelemente (31, 32) anstoßen, durch die
Gleichungen:
SI' _ / COS;· Ν2
S2 ~ \ sin H, J
+
gy I/ ■ '
y sin-
(H1 -
"O1
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